蒙皮蜂窩式整體吸能裝置壓縮性能研究

于洋洋 張永貴

摘要：為了保證低成本、短周期，采用仿真與試驗相結(jié)合的方法對某蒙皮蜂窩式整體式吸能裝置展開設(shè)計;針對吸能裝置設(shè)計指標(biāo)，基于單個蒙皮蜂窩式整體吸能裝置壓縮、兩個相同蒙皮蜂窩式整體吸能裝置對壓等工況，通過有限元仿真分析方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)尺寸、蜂窩強(qiáng)度等參數(shù)迭代優(yōu)化，確定設(shè)計參數(shù)，并試制全尺寸樣件開展同工況靜壓試驗，試驗結(jié)果顯示：仿真結(jié)果與試驗結(jié)果一致，說明建模方法可靠，可用于防爬器前期設(shè)計;蒙皮蜂窩式整體吸能裝置主要性能參數(shù)滿足相應(yīng)技術(shù)指標(biāo)要求。

關(guān)鍵詞：鋁蜂窩;整體吸能裝置;仿真分析;靜壓試驗

0 ?引言

根據(jù)世界鐵路嚴(yán)重事故的統(tǒng)計資料發(fā)現(xiàn)，造成重大人員傷亡的火車事故中碰撞事故占到了56%，即碰撞仍然是列車面臨的主要事故風(fēng)險之一。盡管世界各國采用了先進(jìn)的通信信號系統(tǒng)、調(diào)度控制等主動防護(hù)技術(shù)來規(guī)避列車碰撞事故的發(fā)生，但是列車碰撞事故還是無法完全避免，因此英國、歐盟、美國等地區(qū)制定了強(qiáng)制性軌道列車耐撞性設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，對車輛碰撞耐撞性性能指標(biāo)提出了新的要求[1]。

防爬/吸能裝置是軌道交通車輛車體耐撞性設(shè)計的重要組成部分，本文針對某蒙皮蜂窩式整體吸能裝置設(shè)計指標(biāo)，通過有限元仿真分析方法對蒙皮蜂窩式整體吸能裝置進(jìn)行參數(shù)設(shè)計，并采用靜壓試驗開展試驗驗證，結(jié)果表明部件各性能參數(shù)滿足技術(shù)指標(biāo)。

1 ?吸能裝置結(jié)構(gòu)介紹

蒙皮蜂窩式整體吸能裝置主要由安裝板、蜂窩芯（鋁蜂窩）、蒙皮、前面板四部分組成，如圖1所示。其中，蒙皮蜂窩式整體吸能裝置通過安裝板與車體連接;蜂窩芯在碰撞過程中起緩沖吸能的作用，通過塑性變形將沖擊動能轉(zhuǎn)換為內(nèi)能;蒙皮主要為保護(hù)蜂窩心的作用，與蜂窩芯共同產(chǎn)生塑性變形，且于接觸界面存在耦合作用以增加穩(wěn)定性;前面板采用剛度較大的鋼板，以保證蜂窩芯可以均勻壓縮。

對于圖1所示外形尺寸的吸能裝置，如果僅采用試樣試驗進(jìn)行迭代設(shè)計以確定各設(shè)計參數(shù)，必將造成經(jīng)濟(jì)成本高、設(shè)計周期長的困擾，因此，首先采用有限元仿真分析方法對其結(jié)構(gòu)尺寸、蜂窩強(qiáng)度等主要參數(shù)進(jìn)行迭代優(yōu)化，然后進(jìn)行試驗驗證;其中，該吸能裝置主要壓縮性能指標(biāo)如表1所示。

2 ?吸能裝置壓縮仿真

針對表1中吸能裝置吸能指標(biāo)要求，基于如下工況展開吸能裝置有限元仿真分析，以確定設(shè)計參數(shù)，具體工況為：

①單個吸能裝置，安裝板固定，移動壁障自前端板向安裝板移動;

②兩個吸能裝置軸向?qū)ΨQ放置，兩前端板對齊貼合，一裝置安裝板固定，移動壁障自另一裝置安裝板向其移動。

2.1 數(shù)值計算模型

利用有限元軟件HyperMesh和LS-DYNA構(gòu)建蜂窩式整體吸能裝置軸向壓縮數(shù)值計算模型，如圖2所示;其中，移動剛性墻以1m/s恒定速度沿軸向移動運(yùn)動壓縮吸能裝置，蜂窩芯、蒙皮、前端板、安裝板等采用4節(jié)點(diǎn)殼單元模型（Belytchko-Tsay）建立計算模型，單元厚度方向設(shè)置5個積分點(diǎn)，單元尺寸為5mm，其中，蜂窩芯通過擴(kuò)大孔徑和調(diào)整壁厚來控制網(wǎng)格規(guī)模，且膠粘面設(shè)為單一壁厚的兩倍[2～3];各部件及部件自身均設(shè)置為自動接觸，所有接觸摩擦系數(shù)均設(shè)置為0.2。

對于蜂窩、蒙皮、前端板、安裝板等部件，其材料本構(gòu)采用LS-dyna中的123號材料模型（MAT_MODIFIED_PIECEWISE_ LINEAR_ PLASTICITY）進(jìn)行描述，各部件所采用材料型號及力學(xué)性能，如表2所示。

2.2 計算結(jié)果分析

基于2.1所構(gòu)建的數(shù)值計算模型，開展蒙皮蜂窩式整體吸能裝置相應(yīng)工況仿真計算，并提取仿真結(jié)果中的位移數(shù)據(jù)和支反力數(shù)據(jù)來驗證吸能裝置性能參數(shù)是否滿足表1要求;通過系統(tǒng)迭代優(yōu)化計算，確定蒙皮厚度為3mm，蜂窩強(qiáng)度為5MPa。

2.2.1 單個吸能裝置壓縮計算結(jié)果

圖3呈現(xiàn)了單個吸能裝置壓縮數(shù)值模擬形態(tài)變形過程;由圖3可知，蒙皮與蜂窩于壓縮過程中變形協(xié)調(diào)有效，吸能裝置未產(chǎn)生屈曲失穩(wěn)，符合設(shè)計預(yù)期。

圖4為提取吸能裝置壓縮仿真過程中的支反力所繪制壓縮力-位移曲線;由圖4可知，吸能裝置于壓縮初始存在觸發(fā)峰值，之后穩(wěn)定在某一穩(wěn)態(tài)值附近，至壓縮310mm后，壓縮力顯著提高，該現(xiàn)象主要由蜂窩進(jìn)入密實階段所致;計算可得吸能裝置平均壓縮力約1328kN，與表1設(shè)計值偏差約1.6%;通過對壓縮力-位移曲線進(jìn)行積分，可求得吸能量為461kJ;由此可見，單個吸能裝置壓縮工況下，其有效壓縮行程、平均壓縮力、總吸能量均滿足表1設(shè)計指標(biāo)。

2.2.2 兩個相同吸能裝置對壓計算結(jié)果

圖5呈現(xiàn)了兩個相同吸能裝置對壓數(shù)值模擬形變變形過程;由圖5可知，吸能裝置蒙皮與蜂窩變形協(xié)調(diào)有效，且各吸能裝置最終變形形態(tài)呈對稱分布，且整體未產(chǎn)生屈曲失穩(wěn)現(xiàn)象。

圖6為提取吸能裝置壓縮仿真過程中的支反力所繪制壓縮力-位移曲線;由圖6可知，吸能裝置于壓縮初始存在觸發(fā)峰值，之后穩(wěn)定在某一穩(wěn)態(tài)值附近，至壓縮622mm后，壓縮力顯著提高，該現(xiàn)象主要由蜂窩進(jìn)入密實階段所致;計算可得吸能裝置平均壓縮力約1436kN，與表1設(shè)計值偏差約6.3%;通過對壓縮力-位移曲線進(jìn)行積分，可求得吸能量為900kJ;由此可見，兩個吸能裝置對壓工況下，吸能裝置的有效壓縮行程、平均壓縮力、總吸能量均滿足表1設(shè)計指標(biāo)。

由數(shù)值模擬結(jié)果可知，經(jīng)過優(yōu)化的蒙皮蜂窩式整體吸能裝置于兩種計算工況下變形穩(wěn)定，且有效壓縮行程、平均壓縮力、總吸能量滿足設(shè)計指標(biāo)。

3 ?吸能裝置壓縮試驗

基于第2章節(jié)數(shù)值計算所確定設(shè)計參數(shù)，試制蒙皮蜂窩式整體吸能裝置樣件，并參照計算工況進(jìn)行試樣靜壓試驗，以驗證吸能裝置壓縮性能。

圖7為蒙皮蜂窩式整體吸能裝置試驗現(xiàn)場，試驗設(shè)備為大型油壓機(jī)。

圖8為吸能裝置試驗后試樣變形狀態(tài)，仿真結(jié)果與之基本一致。

圖9為吸能裝置靜壓試驗與仿真的壓縮力-位移曲線對比，兩者趨勢基本一致，但初始觸發(fā)峰值誤差較大，該現(xiàn)象主要由于試樣試制過程中蜂窩芯進(jìn)行了預(yù)壓處理。

表3、表4分別為吸能裝值兩種工況下的性能參數(shù)比較，仿真與試驗結(jié)果除初始峰值力外，誤差均在10%以內(nèi)，滿足工程設(shè)計要求，進(jìn)而說明所采用的仿真建模方法具有較高的可靠性。

4 ?結(jié)論

①通過對比數(shù)值模擬結(jié)果及試驗結(jié)果，發(fā)現(xiàn)數(shù)值模擬結(jié)果較為可靠，防爬器設(shè)計初期可通過數(shù)值模擬的手段降低試驗成本和試驗周期;②通過試驗結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，本文中的蒙皮蜂窩式整體吸能裝置在兩種工況下滿足壓縮性能要求。

參考文獻(xiàn)：

[1]雷成，肖守訥，羅世輝，等.軌道車輛耐碰撞性研究進(jìn)展[J]. 鐵道學(xué)報，2013（1）：31-40.

[2]郭正輝，朱西產(chǎn)，李霖.汽車碰撞蜂窩鋁壁障有限元建模方法研究[J].佳木斯大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2013，31（1）：43-47.

[3]Yasuki T， S Kojima. Application of Alumium Honeycomb Model Using Shell Elements to Offset Deformable Barrier Model[J]. International Journal of Crashworthiness， 2009， 14（5）：449-456.

作者簡介：于洋洋（1988-），男，工程師，主要研究方向為軌道車輛被動安全技術(shù)。